Dlaczego potrzebna jest energia termojądrowa?
Aby zapobiec wzrostowi globalnej temperatury o więcej niż 1,5
A co by było, gdyby istniało jedno rozwiązanie energetyczne, które mogłoby rozwiązać wszystkie te palące problemy? Chociaż brzmi to fantastycznie, istnieje.
Jedna z najpotężniejszych form energii myużywamy dzisiaj to energia jądrowa. Chociaż nowoczesna energia jądrowa jest niezwykle wydajna i generuje zerową emisję dwutlenku węgla, ma wiele wad i są one poważne: potencjalne stopnie jądrowe i odpady radioaktywne, które pozostają niebezpieczne przez tysiące lat.
Ale jest lepszy sposób.
Co to jest fuzja termojądrowa i jak można ją zastosować na Ziemi?
Wszystkie obecne reaktory jądrowe działają zwykorzystanie rozszczepienia jądrowego, procesu rozszczepiania atomów w celu wytworzenia energii. Naukowcy od lat zastanawiali się, w jaki sposób możemy wykorzystać proces odwrotny - fuzję jądrową, która „zasila” Słońce poprzez łączenie atomów - aby sprostać rosnącym potrzebom energetycznym na Ziemi. Sama synteza termojądrowa jest bardzo potężnym procesem, kilkakrotnie silniejszym niż rozszczepienie i nie prowadzi do powstawania odpadów jądrowych, ponieważ jego paliwem nie jest uran ani pluton, ale wodór. W rzeczywistości, jeśli opracowanie reaktora termojądrowego zakończy się sukcesem, naukowcy stworzą „mini-słońce” na Ziemi.
„Osiągnięcie kontrolowanych reakcji termojądrowych,które zużywają więcej energii niż potrzeba do ich wytworzenia i są postrzegane komercyjnie jako potencjalna odpowiedź na zmiany klimatyczne ”- wyjaśnia korespondent naukowy Nathaniel Gronevold dla Scientific American. „Energia syntezy jądrowej wyeliminuje zapotrzebowanie na paliwa kopalne i rozwiąże problemy związane z nieciągłością i niezawodnością związane z odnawialnymi źródłami energii. Energia będzie wytwarzana bez niebezpiecznej ilości promieniowania, która budzi obawy co do energii rozszczepienia jądrowego ”.
Urzędnicy International ThermonuclearEksperymentalny reaktor (ITER), międzynarodowy projekt z południowej Francji, ogłosił, że dzieli ich zaledwie 6,5 roku od pierwszej plazmy, historycznego kamienia milowego. Projekt ITER, wspierany przez konsorcjum 35 krajów, jest obecnie ukończony w 65%, zgodnie z komunikatem prasowym z tego tygodnia. Nowo zainstalowana sekcja - podstawa kriostatu i dolny cylinder - toruje drogę do zainstalowania tokamaka, struktury technologicznej wybranej do pomieszczenia silnego pola magnetycznego, które będzie otaczać rdzeń fuzyjny super gorącej plazmy.
Problemy syntezy jądrowej
Synteza jądrowa jest tak trudna do osiągnięcia z powoduekstremalne warunki - na przykład w jądrze Słońca - które muszą zostać odtworzone tutaj, na Ziemi. Jak wyjaśniono w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych, „reakcje termojądrowe są badane przez naukowców, ale są one trudne do utrzymania przez długi czas ze względu na ogromne ciśnienie i temperaturę wymagane do połączenia jąder”.
Energia termojądrowa wymaga ograniczeniabardzo gorąca plazma pod wysokim ciśnieniem. Magnetyczne zamknięcie bardzo gorącej – wielokrotnie gorętszej niż w centrum Słońca – plazmy wymaga silnych pól magnetycznych. Musi być 10 razy wyższe od ciśnienia atmosferycznego na powierzchni Ziemi. Siła pola magnetycznego jest parametrem krytycznym w osiąganiu tych warunków, ponieważ zapewnia zarówno izolację utrzymującą gorącą plazmę, jak i ciśnienie zewnętrzne utrzymujące ją na stałym poziomie – a wszystko to bez fizycznego kontaktu pomiędzy plazmą a powierzchnią materiału.
Chociaż synteza jądrowa wytwarzaniesamowite perspektywy rozwiązania niektórych z najtrudniejszych problemów współczesnego świata, czas płynie, a wielu ekspertów twierdzi, że nawet jeśli fuzja jest tuż za rogiem, czas nie działa na naszą korzyść. Chociaż oczekuje się, że ITER zostanie uruchomiony do 2025 r. i osiągnie pełną funkcjonalność około 2035 r., może być już za późno. Już w 2019 roku eksperci ds. klimatu argumentowali, że być może trzeba będzie skrócić 12-letni termin, jaki dał światu panel Międzyrządowy na odwrócenie zmieniającej się sytuacji planety, do 18 miesięcy. Hans Joachim Schellnhuber z Poczdamskiego Instytutu Klimatycznego wyjaśnił to rok temu w ten sposób: „Matematyka klimatyczna jest krystalicznie jasna: chociaż świat może nie zostać uzdrowiony w ciągu najbliższych kilku lat, może zostać śmiertelnie zraniony przez zaniedbania przed 2020 rokiem”.
Jednak w tym tygodniu ożyły nadzieje na czystą energię.
Projekt SPARC
Naukowcy opracowują wersję kompaktowąW szeregu artykułów naukowych wykazano, że reaktor termojądrowy działa, ożywiając nadzieję, że od dawna nieuchwytny cel, jakim jest naśladowanie produkcji energii słonecznej, może zostać osiągnięty i ostatecznie przyczyni się do walki ze zmianami klimatycznymi.
Centrum Badań Plazmowych i TermojądrowychMIT we współpracy z prywatnym startupem Commonwealth Fusion Systems (CFS) opracowuje koncepcję SPARC. Jest to kompaktowy eksperyment wysokonapięciowy z czystą energią termojądrową. Oczekuje się, że SPARC będzie wielkości istniejących urządzeń do syntezy jądrowej średniego zasięgu, ale ze znacznie silniejszym polem magnetycznym. Opierając się na prawach fizyki, naukowcy mają nadzieję, że urządzenie będzie wytwarzać 50-100 MW mocy termojądrowej. Taki eksperyment będzie pierwszym pokazem tworzenia czystej energii i możliwości stworzenia urządzenia zbudowanego w nowej technologii nadprzewodzącej. SPARC jest częścią ogólnej strategii mającej na celu przyspieszenie rozwoju syntezy jądrowej dzięki zastosowaniu nowych magnesów nadprzewodzących o wysokim polu i wysokiej temperaturze (HTSC).
Elektrownia termojądrowa Sparc będzie stosunkowo niewielka, jak pokazano na ilustracji komory reakcyjnej.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Czas budowy
Oczekuje się, że budowa reaktora podNazwa SPARC, która jest opracowywana przez naukowców z MIT i spółki zależnej Commonwealth Fusion Systems, rozpocznie się wiosną przyszłego roku i potrwa trzy lub cztery lata, powiedzieli naukowcy i przedstawiciele firmy.
Chociaż nadal istnieje wiele poważnych problemów,firma twierdzi, że po budowie nastąpią próby i, jeśli się powiedzie, elektrownia, która będzie mogła wykorzystywać energię termojądrową do wytwarzania energii elektrycznej, począwszy od następnej dekady.
Ten ambitny harmonogram jest znacznie szybszy niżnajwiększy na świecie projekt dotyczący energii termojądrowej, międzynarodowy projekt na południu Francji o nazwie ITER. Reaktor ten jest w budowie od 2013 roku i choć nie jest przeznaczony do wytwarzania energii elektrycznej, oczekuje się, że do 2035 roku zacznie zachodzić w nim reakcje termojądrowe.
Bob Mumgaard, dyrektor generalny Wspólnoty NarodówFusion, jeden z założycieli firmy, powiedział, że celem projektu SPARC jest opracowanie syntezy termojądrowej na czas, aby odegrać rolę w łagodzeniu skutków globalnego ocieplenia. „Skupiamy się na jak najszybszym uzyskaniu energii termojądrowej” - powiedział.
Fuzja termojądrowa, w której lekkie atomygromadzenie się w temperaturach dziesiątek milionów stopni w celu uwolnienia energii stało się dla świata sposobem radzenia sobie ze skutkami zmiany klimatu związanymi z wytwarzaniem energii elektrycznej.
Podobnie jak konwencjonalna elektrownia jądrowa, która rozszczepia atomy, elektrownia termojądrowa nie będzie spalać paliw kopalnych i nie będzie wytwarzać emisji gazów cieplarnianych.
Krytyka projektu
Mimo ambicji projektu przeszkody na drodzestworzenie maszyny zdolnej do wytwarzania plazmy termojądrowej i manipulowania wirującą, bardzo gorącą chmurą atomów, która uszkadza lub niszczy wszystko, czego dotknie, jest ogromne.
Niektórzy naukowcy, którzy zajmowali się energią termojądrową od dziesięcioleci, twierdzą, że chociaż entuzjastycznie podchodzą do perspektyw Sparca, harmonogram może być po prostu nierealny.
„Czytając te dokumenty (artykuły naukowe- około. red.) daje mi poczucie, że programiści będą mieli kontrolowaną termojądrową plazmę termojądrową, o której wszyscy marzymy ”- powiedział Carey Forest, fizyk z University of Wisconsin, który nie jest zaangażowany w projekt. Nie jest jednak pewien, czy harmonogram projektu jest realistyczny.
Według dr Mumgaarda SPARC będzie dużomniejszy niż ITER - wielkości kortu tenisowego w porównaniu do boiska piłkarskiego - i znacznie tańszy niż projekt międzynarodowy, który według oficjalnych szacunków będzie kosztował około 22 miliardy dolarów, ale to nie jest limit. Organizacja Commonwealth Fusion, założona w 2018 roku i zatrudniająca około 100 pracowników, zebrała do tej pory 200 milionów dolarów na swój projekt.
Różnice między Sparcem a ITERem
Odkąd rozpoczęły się prawie sto lat temueksperymentów z syntezą termojądrową, perspektywa stworzenia praktycznego urządzenia termojądrowego, które będzie w stanie wytworzyć więcej energii, niż zużywa, pozostaje nieuchwytna.
Jednak według ustaleń naukowców opublikowanych w The Journal of Plasma Physics projekt SPARC odniesie sukces i wyprodukuje 10 razy więcej energii niż zużywa.
Badanie „potwierdza, że projekt jest zakończonyten, z którym pracujemy, prawdopodobnie zadziała ”- powiedział Martin Greenwald, zastępca dyrektora Centrum Badań i Fuzji Plazmy MIT oraz jeden z czołowych naukowców projektu. Dr Greenwald jest założycielem Commonwealth Fusion, ale obecnie nie jest z nią powiązany.
SPARC używa tego samego typu urządzenia, coITER: Tokamak lub komora w kształcie pączka, w której zachodzi reakcja termojądrowa. Ponieważ chmura plazmy jest tak gorąca - gorętsza niż Słońce - musi być powstrzymywana przez siły magnetyczne.
ITER robi to za pomocą ogromnych cewek elektromagnetycznych zawierających druty nadprzewodzące, które muszą być chłodzone ciekłym helem.
Model reaktora termojądrowego ITER (przekrój)
CC BY-SA 2.0 fr
По словам Гринвальда, SPARC использует korzyści płynące z nowej technologii elektromagnetycznej wykorzystującej tak zwane nadprzewodniki wysokotemperaturowe, które mogą wytwarzać znacznie silniejsze pole magnetyczne. W rezultacie plazma jest znacznie mniejsza.
Z dokumentów wynika, że „ta ścieżka jest wysokapole nadal wygląda na opłacalne ”- powiedział dr Greenwald. „Jeśli uda nam się sprostać wyzwaniom inżynieryjnym, ta maszyna będzie działać zgodnie z naszymi przewidywaniami”.
Organizacja Commonwealth Fusion podała, że za kilka miesięcy ogłosi miejsce pobytu SPARC.
Kto jeszcze pracuje nad energią termojądrową i czy jest jakaś nadzieja?
Commonwealth Fusion to tylko jedna z wielufirmy pracujące nad rozwojem i komercjalizacją energii termojądrowej we współpracy z instytucjami badawczymi, wspierane inwestycjami o wartości setek milionów dolarów.
Na przykład firma TAE Technologies z siedzibą ww południowej Kalifornii pracuje nad projektem wykorzystującym urządzenie liniowe, które wystrzeliwuje w siebie dwie chmury plazmy w celu wytworzenia syntezy jądrowej.
First Light Fusion, spółka zależna Uniwersytetu Oksfordzkiego w Anglii, wykorzystuje energię do kompresji i kompresji paliwa termojądrowego.
Doktor Forest powiedział:Dzięki zastosowaniu silniejszych pól magnetycznych można powiedzieć, że SPARC jest bardziej „konserwatywny”. „To całkowicie odróżnia ją od wszystkich startupów, które z definicji są bardziej ryzykowne – podkreśla.
William Dorland, fizyk z University of Maryland andredaktor The Journal of Plasma Physics powiedział, że czasopismo poprosiło przedstawicieli niektórych z tych projektów syntezy jądrowej, aby „porozmawiali o ich fizycznych podstawach”. Powiedział, że grupa MIT i Commonwealth Fusion szybko się zgodziła.
„Z mojego punktu widzenia jest to pierwsza z tych grup,który ma prywatne pieniądze, co właściwie jest bardzo jasne, co robią ”- powiedział dr Dorland. - Rozsądni ludzie nie zgadzają się co do tego, czy to działa. Ale cieszę się, że zrobili krok naprzód i powiedzieli nam, używając normalnej nauki, co się dzieje ”- podsumowuje.
W końcu jakich konsekwencji można się spodziewaćrozwój reaktora termojądrowego? Jeśli procesy technologiczne są debugowane i kontrolowane, uratuje to ludzkość. Czysta energia pochodząca ze stopienia atomów zamiast ich rozszczepienia przynajmniej ochroni planetę przed odpadami jądrowymi.
Jaki jest wynik finansowy?
Pomimo całego niebezpieczeństwa i złożoności projektówrozwoju syntezy termojądrowej, nie wydaje się, aby ludzkość miała jakąkolwiek alternatywę. Możliwości planety są ograniczone, w przeciwieństwie do potrzeb człowieka. Czas pokaże, czy SPARC, ITER lub jakikolwiek startup spełnią swoje obietnice.
Czytaj także
Naukowiec stworzył farbę, która może zastąpić drogie panele słoneczne
Misja CHEOPS odnalazła planetę o najtrudniejszych warunkach we wszechświecie. główna rzecz
Astronomowie odkryli księżycowy akcelerator z lat 60. Zmierza w kierunku Ziemi